土壤診斷與精準施肥實驗課虛擬仿真教學改革研究

摘" 要：鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對農(nóng)科人才的培養(yǎng)質(zhì)量提出更高的要求。該文以土壤肥料學實驗課為研究對象，分析土壤肥料學核心課程——土壤診斷與精準施肥實驗課存在的問題與教學難點，并探究基于虛擬仿真的課程教學改革路徑。改革立足于學生適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和前沿發(fā)展的需要，圍繞課程思政融合、土壤診斷與精準施肥全流程線上實操與應用、實驗報告及討論，以及考核評價指標體系設定，構建“知識與技能”和“過程與方法”相融合的課程目標，并通過虛擬仿真，使學生完整體驗土壤診斷與精準施肥過程，促進學習方式的轉變，強化科學探究的意識，培養(yǎng)學生的實踐以及綜合應用能力，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才。

關鍵詞：土壤肥料學；土壤診斷與精準施肥；虛擬仿真；教學改革；考核評價指標體系

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）24-0135-04

Abstract： The rural revitalization and high-quality agriculture development have put forward higher requirements for the quality of the agricultural talent training. This paper takes the experimental course of soil and fertilizer science as the research object， analyzes the existing problems and teaching difficulties in the experimental course of soil diagnosis and precision fertilization， which is the core course of soil and fertilizer science， and explores the course reform path of the experimental course of soil diagnosis and precision fertilization based on \"virtual simulation\". The reform is based on the need for students to adapt to modern agriculture and frontier development， and focuses on the integration of course ideology and policy， online practice and application of the whole process of soil diagnosis and precision fertilization， experimental report and discussion， and the establishment of evaluation and assessment index system， so as to construct curriculum objectives that integrate \"knowledge and skills\" and \"process and method\". Through virtual simulation， students can experience the process of soil diagnosis and precision fertilization， promote the change of learning mode， strengthen the awareness of scientific investigation， cultivate students' practical and comprehensive application ability， and cultivate high-quality composite talents for the development of modern agriculture in China.

Keywords： soil and fertilizer science; soil diagnosis and precise fertilization; virtual simulation; teaching reform; assessment and evaluation index system

土壤肥料學作為農(nóng)業(yè)科學領域的重要基礎學科，相關課程涉及土壤的基本物質(zhì)組成與性質(zhì)、我國主要土壤類型及分布、農(nóng)田土壤生態(tài)與保護、植物營養(yǎng)與施肥的基本原理、土壤與植物礦質(zhì)營養(yǎng)，以及有機無機肥料的特性和施用等方面的知識[1]。該課程綜合性強，涉及土壤學、植物營養(yǎng)學、地質(zhì)學、生物學和農(nóng)學等多學科的知識和理論，同時具有較強的應用性和實踐性[2]。土壤肥料學實驗課作為該學科的重要實踐環(huán)節(jié)，旨在通過實操和觀測，將理論與實踐相結合，進一步加深學生對土壤肥料學相關理論知識的理解，熟練掌握相關實驗操作技能以及分析、解決實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題的綜合應用能力。

作為土壤肥料學課程的核心實驗課，土壤診斷與精準施肥是以土壤診斷以及肥料田間實驗結果為基礎，根據(jù)作物需肥規(guī)律[3]、土壤供肥性能和肥料效應，合理提出肥料的施用量、施用時期和方法的技術；是農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、資源環(huán)境科學、農(nóng)學、種子和園藝等涉農(nóng)專業(yè)土壤肥料學課程學習的重點內(nèi)容，更是教學難點[4]，具體表現(xiàn)為：①土壤肥料學教學內(nèi)容涵蓋多學科如土壤學、肥料科學的基礎理論和知識，涉及面廣且知識點多，導致土壤肥料學課時安排主要以理論教學為主，實驗課學時相對較少[5]。然而，土壤診斷與精準施肥流程多，包括田間土壤樣品的采集與實驗室制備、土壤制備樣品的實驗室測定、氮磷鉀等施肥配方的設計及肥料施用推薦等環(huán)節(jié)，橫跨作物完整生育期，往往需要4～6個月時間、跨越2個學期，短期、集中的實驗課無法實現(xiàn)土壤診斷與精準施肥全流程的學習。②土壤診斷樣品的采集、制備和實驗室檢測耗時耗力，對實驗條件要求嚴格。一是需要田間采集土壤樣品，并根據(jù)樣品制備規(guī)范對土壤樣品進行前處理，導致大量時間花費在田間與實驗過程中；二是土壤樣品部分指標測定方法有難度，需要多次操作才能順利完成；三是對實驗室空間、室內(nèi)環(huán)境、測定儀器等有較高要求，往往很難做到一人一機；四是樣品測定指標多、成本高、試劑耗材消耗大，同時部分測定指標涉及?；啡鐫饬蛩帷Ⅺ}酸，危險系數(shù)高[6]。③精準施肥過程需要綜合考慮土壤供肥能力、作物種類、作物產(chǎn)量水平和作物肥料利用率等因素，施肥參數(shù)設置與模型構建數(shù)據(jù)需求量大，數(shù)據(jù)收集難度大。④精準施肥推薦用量計算涉及的籽粒吸肥量、土壤當季供肥量、肥料利用率等基本數(shù)據(jù)資料，必須依據(jù)地區(qū)、土壤、作物品種和栽培管理條件的不同，通過大量實驗獲取，導致學生短期內(nèi)無法獲取。⑤施肥效應具有長期性，學生無法直觀了解土壤診斷與精準施肥效果。

綜上所述，針對土壤肥料學課程中土壤診斷與精準施肥實驗課存在的問題和教學難點，亟需對其教學方法進行研究和改革。

1 虛擬仿真技術在教學領域的應用

虛擬仿真是一種基于計算機技術和多媒體技術的新型模擬技術，它通過創(chuàng)建虛擬的環(huán)境和對象，讓用戶能夠在其中進行交互操作和體驗[7]。在教學領域其特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①能夠提供高度逼真的虛擬實驗環(huán)境。借助先進的圖形處理技術和物理模擬算法，虛擬仿真實驗可以逼真地再現(xiàn)土壤的結構、質(zhì)地、養(yǎng)分分布等特征，以及施肥過程中的化學反應、養(yǎng)分遷移和作物生長等過程，讓學生仿佛置身于真實的實驗場景中。②虛擬仿真技術具有強大的交互性。學生可以在虛擬環(huán)境中自由地操作實驗儀器、改變實驗參數(shù)、觀察實驗結果，激發(fā)學生的學習興趣和積極性。③虛擬仿真技術具有可重復性和安全性。學生可以多次重復進行實驗操作，加深對實驗原理和方法的理解，同時避免了在真實實驗中可能出現(xiàn)的危險和錯誤。④虛擬仿真實驗能夠方便地集成最新的科研成果和實際應用案例，及時更新實驗內(nèi)容，使學生能夠接觸到最前沿的知識和技術。⑤完善實驗教學評價體系。除了傳統(tǒng)的實驗報告和考試成績，增加對學生在虛擬實驗中的操作過程、問題解決能力、創(chuàng)新思維等方面的評價指標，全面、客觀地反映學生的學習效果和能力水平。

2" 土壤診斷與精準施肥虛擬仿真實驗課教學方法改革

2.1" 改革的目標

通過土壤診斷與精準施肥虛擬仿真實驗，在大幅提升教學效果并節(jié)約大量教學時間和成本的前提下，使學生能夠系統(tǒng)掌握土壤診斷與精準施肥的原理與技術要點。根據(jù)作物需肥規(guī)律（最小養(yǎng)分律、養(yǎng)分歸還律、同等重要性和報酬遞減律）、土壤供肥性能和肥料效應，在合理施用肥料的基礎上，提出化學肥料（氮、磷、鉀）及中、微量元素肥料的施用數(shù)量、施用時期和施肥方法。掌握調(diào)節(jié)和解決作物需肥與土壤供肥之間的矛盾，有針對性地補充作物所需的營養(yǎng)元素。做到作物缺什么元素補什么元素，需要多少補多少，實現(xiàn)各種養(yǎng)分的平衡供應滿足作物的需求。達到減少肥料施用量、提高肥料利用率、提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)和節(jié)支增收的效果，起到保護農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、助力鄉(xiāng)村振興的目的。

2.2" 改革的內(nèi)容

第一階段為課程思政融合。當今多元化的社會環(huán)境中，培養(yǎng)具有正確的價值觀、道德觀和社會責任感的人才是時代的迫切需求。因此，在土壤診斷與精準施肥虛擬仿真實驗的第一階段，設置課程思政學習內(nèi)容，結合國家重要發(fā)展戰(zhàn)略和政策如鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明建設，通過線上學習使學生掌握理論知識的同時，提升學生民族自豪感、社會責任感和投身農(nóng)業(yè)事業(yè)的認同感和使命感。學習案例包括第三次全國土壤普查（以下簡稱“三普”）、全國測土配方施肥、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部化肥減量增效行動等，具體如通過對“三普”總體背景的介紹，讓學生深入了解“中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手中”的時代內(nèi)涵，認識到土壤肥料在保障我國糧食安全中不可替代的支撐作用，并進一步思考在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“肥藥雙減”前提下，如何確保我國糧食安全，從而理解我國開展“三普”的必要性和緊迫性，并樹立“守護土壤，人人有責”的義務意識。

第二階段為土壤診斷與精準施肥全流程線上實操與應用。在傳統(tǒng)實驗課如土壤有機質(zhì)、土壤堿解氮、土壤有效磷等指標測定的同時，通過線上實操，即分別基于觀察法、控制變量法和對比法分別進行基礎認知、單因素探究和實例應用的學習和應用。其中，基礎認知旨在課堂理論教學的基礎上，進一步加深學生對土壤診斷基礎知識的認知，并通過全流程方式重點學習土壤精準施肥步驟，具體包括土壤樣品采集與制備、施肥情況調(diào)查、土壤樣品指標測定等詳細步驟。單因素探究即基于控制變量法，通過調(diào)整土壤供肥能力、作物種類、目標產(chǎn)量和肥料利用率等，探究其與精準施肥間的關系。實例應用旨在通過給定隨機農(nóng)田和隨機生產(chǎn)參數(shù)，學生基于基礎認知和單因素探究的學習，進行土壤診斷與精準施肥的應用，具體包括6個步驟：①進行土壤診斷樣品采集操作，要求遵循均勻性、代表性和連續(xù)性3個原則，進行土樣采集點的確定并采集土樣，同時調(diào)查采樣點施肥情況、土壤立地條件和其他相關情況，掌握農(nóng)田土壤立地條件與施肥管理水平；②進行土壤樣品化驗操作，要求按照統(tǒng)一規(guī)定的檢測方法對土壤碳、氮、磷和微量元素等指標進行測定，了解土壤樣品各指標測定流程；③進行精準施肥配方的設計，匯總分析土壤測試和田間肥效實驗結果，根據(jù)作物種類、產(chǎn)量水平、作物肥料利用率及土壤供肥能力等差異，合理劃分施肥類型區(qū)，建立施肥模型，分區(qū)域、分作物進行區(qū)域施肥配方設計與地塊施肥配方設計；④采用地力差減法、相對產(chǎn)量法、特爾菲法分別進行推薦施氮量、土壤磷鉀含量豐缺指標、推薦磷鉀肥用量的確定，并進行配方肥的組織與采購；⑤科學用肥，要求在確定氮素總量的基礎上，根據(jù)作物主要生育期與需肥規(guī)律、土壤肥力水平，科學進行不同生育期的氮素運籌分配，同時基于土壤性狀、作物品種及對磷鉀素需求特點，明確磷鉀素運籌分配，根據(jù)土壤檢測結果和作物表現(xiàn)出的缺微癥狀，科學推薦微量元素施用，了解氮磷鉀肥料運籌技術；⑥田間監(jiān)測，依據(jù)施肥后田間作物氮肥利用率、作物產(chǎn)量、作物品質(zhì)等指標的判斷，進行施肥配方的修訂與優(yōu)化。

第三階段為實驗報告及討論。良好的實驗報告撰寫習慣和討論能力是進行科學研究和學術工作的基礎。因此，本階段要求學生通過對第一和第二階段的學習和實操，最終提交實驗報告并以小組形式進行討論交流。本階段的目的和要求主要包括：①知識的鞏固和深化。通過撰寫實驗報告促使學生系統(tǒng)地回顧土壤診斷與精準施肥實驗過程。要求學生準確描述實驗目的、方法、步驟等，進一步強化對實驗內(nèi)容的記憶；同時，要求學生運用所學的科學知識對所獲得的實驗結果進行分析解釋，加深對理論知識的理解和掌握。②培養(yǎng)科學思維。土壤診斷與精準施肥實驗報告要求學生以清晰的邏輯結構呈現(xiàn)實驗內(nèi)容，從提出問題到得出結論，各環(huán)節(jié)需要有嚴密的邏輯推理，進而培養(yǎng)學生的邏輯思維能力；同時，在撰寫土壤診斷與精準施肥實驗報告時，要求學生對實驗結果進行評估和反思，思考實驗過程中可能存在的誤差和問題，進而培養(yǎng)學生的批判性思維，不盲目接受結果，而是能夠?qū)ζ溥M行深入分析和質(zhì)疑。③提高表達能力。要求學生在撰寫土壤診斷與精準施肥實驗報告過程中以準確、簡潔的語言表達科學內(nèi)容，將復雜的實驗過程和結果轉化為文字，能夠清晰地傳達給讀者，進而提高文字表達能力；同時要求學生以小組形式分享土壤診斷與精準施肥實驗心得、觀點和發(fā)現(xiàn)，與同學和老師進行交流和辯論，進而提高口頭表達能力和溝通能力，并培養(yǎng)團隊合作精神。

2.3 考核評價指標體系設定

考核評價指標體系的設定以實驗教學過程中所涉及的相關步驟要求為考點，按照各自在實驗中的權重，形成“虛實結合”的考核評價指標體系，實現(xiàn)對實驗學習過程的全覆蓋?？己朔譃榻Y果評價和實驗報告2部分。其中，結果評價基于“扣分法”的思想建立結果評價模型，即用滿分減去操作不當產(chǎn)生的失誤分數(shù)，得到的就是反映學生操作水平的分數(shù)。失誤分數(shù)來源于儀器操作不當、實驗步驟的缺失或順序不對、土壤精準施肥步驟錯誤和土壤診斷錯誤等。實驗報告依據(jù)實驗操作過程，針對實驗現(xiàn)象和結果，填寫實驗報告。

因此，考核評價指標體系的設定具體圍繞土壤診斷與精準施肥虛擬仿真實驗課3個階段的交互性步驟進行賦分模型的構建，其中第一階段（課程思政融合）共計1個交互性步驟；第二階段（土壤診斷與精準施肥全流程線上實操與應用）共計14個交互性步驟；第三階段（實驗報告及討論）共計1個交互性步驟。各步驟詳細目標要求及目標達成度賦分模型如下：①實驗背景及基礎介紹。結合國家測土配方施肥、化肥零增長、化肥減量增效等相關政策，讓學生了解實驗背景、實驗原理、實驗目的。學生完成該部分學習計5分。②土壤診斷基礎知識認知。查看相關實驗指導書、圖文、微課資料，了解土壤診斷與精準施肥基礎知識以及相關采樣測定設備。學生完成學習計5分。③土壤樣品采集。查看土壤診斷樣品采集流程，培養(yǎng)學生正確進行土樣采集點的確定及采集能力。學生完成學習計5分。④土壤樣品化驗。查看土壤樣品各指標測定化驗過程，讓學生準確了解各實驗指標的測定目的、原理、流程及實驗安全注意事項。學生完成學習計5分。⑤精準施肥配方設計。培養(yǎng)學生通過匯總分析土壤測試和田間肥效實驗結果，準確進行施肥配方設計的能力，并培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)分析能力。學生完成系統(tǒng)給定的選擇題并答對，計5分，未完成實驗或提交結論錯誤，計0分。⑥配方肥的組織與采購。通過圖文、微課資料等學習地力差減法、相對產(chǎn)量法、特爾菲法相關知識，培養(yǎng)學生進行磷鉀配方肥的組織與采購能力。學生完成選擇題并答對，計5分，未完成實驗或提交結論錯誤，計0分。⑦氮磷鉀肥料運籌技術。通過圖文、微課資料等對作物生育期與需肥規(guī)律、作物的缺微癥狀等的學習，掌握氮磷鉀肥料運籌技術及其相關原理。學生初次完成實驗并答對問題，計5分，若初次實驗結論錯誤，通過系統(tǒng)的引導，第二次得到正確結果，得3分，未完成實驗或最終提交的結論錯誤，計0分。⑧施肥配方的修訂與優(yōu)化。對施肥后田間各項指標的監(jiān)測學習，培養(yǎng)學生進行施肥配方的修訂與優(yōu)化能力。學生完成實驗并答對問題，計5分，未完成實驗或最終提交的結論錯誤，計0分。⑨基礎知識考核。考察學生對實驗背景、實驗原理、實驗目的的認知度，并通過考核題對學生下一步的實驗操作進行啟發(fā)。系統(tǒng)隨機抽取5道選擇題，學生完成選擇題并答對，計5分，若學生重新答題并得到正確結果，得3分，否則計0分。⑩精準施肥操作步驟考核?？疾鞂W生對精準施肥步驟的認知程度，并對學生下一步的探究操作進行啟發(fā)。系統(tǒng)隨機抽取5道選擇題，學生完成選擇題并答對，計5分，若學生重新答題并得到正確結果，得3分，否則計0分。" 至" 分別為土壤供肥能力、作物種類、產(chǎn)量水平和氮肥利用率單因素探究。通過調(diào)整上述因素，培養(yǎng)學生探究其與精準施肥間的關系。完成各步驟的探究操作并答對問題，每步驟計5分，未完成操作或最終提交結論錯誤，計0分。" 土壤診斷與精準施肥應用。系統(tǒng)給定農(nóng)田、土壤隨機生產(chǎn)參數(shù)、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)等，培養(yǎng)學生基于多參數(shù)調(diào)節(jié)進行土壤診斷與精準施肥的綜合應用能力。針對系統(tǒng)給定的題目，進行正確的土壤診斷與施肥參數(shù)組合，初次提交正確計20分，經(jīng)過2次提交正確計15分，3次和多次提交正確計10分，最終提交錯誤計0分。" 生成實驗報告并進行討論。培養(yǎng)學生通過實驗結果、實驗數(shù)據(jù)分析獲得實驗規(guī)律的能力。提交實驗結果并生成實驗報告，計10分，否則計0分。

2.4 特色與創(chuàng)新之處

2.4.1" 先進性

土壤診斷與精準施肥技術要求高、流程多、數(shù)據(jù)需求量大，采用虛擬仿真技術教學改革能夠?qū)崿F(xiàn)土壤診斷與精準施肥技術的全流程展現(xiàn)，有助于學生直觀、高效、全面的觀察，大幅提升教學效果，大量節(jié)約教學時間和成本。

2.4.2" 示范性

土壤診斷過程是土壤學、植物營養(yǎng)學等學科研究的基礎，質(zhì)量要求高、操作環(huán)節(jié)復雜，通過本實驗的教學改革研究，能夠為其他生態(tài)系統(tǒng)指標相關實驗課的教學改革提供思路和技術借鑒。

2.4.3" 創(chuàng)新性

土壤診斷與精準施肥虛擬仿真實驗實現(xiàn)了學生在操作過程中詳細學習土壤采樣測試技術、配方設計技術、肥料施用推薦技術，了解作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應，能夠鞏固理論知識點甚至代替理論教學；學習評價單元實現(xiàn)了學生通過分析田間地塊圖信息，能夠進行土壤采樣點的確認，并通過對土壤樣品測定和田間肥效實驗結果的綜合分析，進行精準施肥的設計以及肥料的科學施用，能夠理論聯(lián)系實際，提升了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實踐能力。

3" 結束語

土壤肥料學科對于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、保護生態(tài)環(huán)境具有至關重要的意義。本文針對新時代背景下土壤肥料學核心課程——土壤診斷與精準施肥實驗課存在的問題，提出了基于虛擬仿真的3階段課程改革思路，即第一階段課程思政融合，第二階段土壤診斷與精準施肥全流程線上實操與應用，第三階段實驗報告及討論，并進一步探究了考核評價指標體系的設定。相應改革立足于學生適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和前沿發(fā)展的需要，構建“知識與技能”和“過程與方法”相融合的課程目標。通過虛擬仿真，使學生體驗科學研究的過程，激發(fā)學習興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐以及綜合應用能力，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才。

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基金項目：江蘇省自然科學基金青年基金項目（BK20210793）

第一作者簡介：左文剛（1989-），男，博士，講師。研究方向為鹽堿地增碳培肥機制。

*通信作者：柏彥超（1981-），男，博士，教授。研究方向為農(nóng)田土壤固碳特征及機制。